談?wù)劯咚亠L(fēng)洞

白　勻

高速風(fēng)洞對(duì)于尖端科學(xué)發(fā)展的要重性

在黨的總路線的光輝照耀下，我們祖國(guó)的航空工業(yè)，也像建設(shè)中的其他工業(yè)一樣，正在飛躍地發(fā)展著。具有高空高速優(yōu)良性能的航空器是提高我們的航空科學(xué)技術(shù)水平的主要標(biāo)志。在我們?cè)O(shè)計(jì)這些航空器時(shí)需要計(jì)算氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性與操縱性、氣動(dòng)彈性、以及高超音速中的氣動(dòng)熱等問(wèn)題。而且還應(yīng)該把我們初步設(shè)計(jì)的航空器模型，在高速風(fēng)洞里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出這些模型的各種需要的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論分析研究。在進(jìn)行航空器的設(shè)計(jì)任務(wù)中，只有經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所確定或驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，才能進(jìn)行生產(chǎn)。

在專門(mén)進(jìn)行空氣動(dòng)力研究時(shí)，更應(yīng)該在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論推斷的結(jié)果是否正確。因?yàn)椋碚摲治龊陀?jì)算是將復(fù)雜的實(shí)際現(xiàn)象簡(jiǎn)化和概括了的，往往離真實(shí)情況有一些距離，這就需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)確定理論計(jì)算的準(zhǔn)確程度。這種情況在高速航空器研究中特別重要。

對(duì)于超音速、高超音速M(fèi)數(shù)范圍內(nèi)飛行器的氣動(dòng)力試驗(yàn)，除主要用風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)外，還有其他試驗(yàn)設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)定各種氣動(dòng)數(shù)據(jù)。例如：用火箭把飛行器模型打上天，造成高速氣流以測(cè)定氣動(dòng)數(shù)據(jù)，但是，這些試驗(yàn)方法都存在很多問(wèn)題。因此，超音速風(fēng)洞及高超音速風(fēng)洞還是氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)及研究中所必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。

航空工業(yè)的發(fā)展，一方面表現(xiàn)在工廠的制造能力與工藝水平；另一方面表現(xiàn)在能否獨(dú)立設(shè)計(jì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)水平的航空器。設(shè)計(jì)航空器的計(jì)算根據(jù)是理論公式和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是初步設(shè)計(jì)中的風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)是肯定設(shè)計(jì)結(jié)果的極重要的一環(huán)。因此，一個(gè)國(guó)家的尖端科學(xué)水平究竟如何，可用他們是否具有數(shù)量多和質(zhì)量高的高速風(fēng)洞來(lái)作為一種衡量標(biāo)準(zhǔn)。

高速風(fēng)洞與低速風(fēng)洞有什么不同？

對(duì)高速風(fēng)洞來(lái)說(shuō)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)段的流速可將風(fēng)洞分為幾級(jí)：跨音速風(fēng)洞(其M數(shù)范圍為0.714。

低速及高速風(fēng)洞中產(chǎn)生氣流，都要求均勻平直的，為達(dá)到此種要求，除加收縮來(lái)壓縮氣流使得均勻外，還要在穩(wěn)定段加整流網(wǎng)，使氣流大旋渦分散成小旋渦，以獲得均勻速度及低紊流度。沿風(fēng)洞軸線方向的靜壓力，希望保持一定的數(shù)值。但因?yàn)殡S軸向方向加長(zhǎng)由于洞壁的存在而被阻滯的氣流加厚，結(jié)果造成流速加大而靜壓降低。解決的辦法是：把實(shí)驗(yàn)段少加擴(kuò)散角度，仍保持實(shí)驗(yàn)段等面積，即可保持等靜壓。

低速與高速風(fēng)洞在構(gòu)造原理上有些不同：跨音速范圍內(nèi)各M數(shù)(0.7

擺在我們面前最主要的問(wèn)題是達(dá)到跨音速范圍M數(shù)的要求，這時(shí)主要問(wèn)題是風(fēng)洞的“間歇作用”及“阻塞現(xiàn)象”(有正激波阻塞)，因在剛性壁的風(fēng)洞中，在模型的最大截面處及其支持裝置附近的速度超過(guò)M=1，此后氣流即可成為超音速的，然后幾乎是立刻轉(zhuǎn)變?yōu)閬喴羲俨⑿纬烧げ?，所以在M=1的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵鹆孙L(fēng)洞的“阻塞現(xiàn)象”及“間歇作用”。為了消除這種作用，跨音速時(shí)實(shí)驗(yàn)段是由一定大小，一定數(shù)目的孔壁組成，這種孔壁能消除風(fēng)洞的“阻塞現(xiàn)象”。壓縮波和膨脹波在到達(dá)模型區(qū)域之前便部分地相互得到抵消，于是也就保證了在不改變風(fēng)洞幾何尺寸的條件下，做到經(jīng)過(guò)音速到超音速的連續(xù)均勻過(guò)渡，即可消除“間歇作用”。

高速風(fēng)洞與低速風(fēng)洞比較不同點(diǎn)：

(1)實(shí)驗(yàn)段的速度是決定于實(shí)驗(yàn)段及收縮段最小處的面積比，而低速風(fēng)洞是決定于馬達(dá)開(kāi)動(dòng)風(fēng)速大小。

(2)穩(wěn)定段與擴(kuò)散段有一定壓力差，保持一定M數(shù)，實(shí)驗(yàn)段大小決定于流量大小，流量大，則實(shí)驗(yàn)段面積可以大。

(3)氣流經(jīng)過(guò)收縮段(即第一喉道)達(dá)到音速后，氣流需要經(jīng)過(guò)膨脹(擴(kuò)散)才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)段的M數(shù)，膨脹段稱為噴管。

(4)實(shí)驗(yàn)段的氣流是低溫低壓。

(5)氣流內(nèi)的水蒸汽可能凝結(jié)。

(6)在M數(shù)高些時(shí)，需要加溫設(shè)備，連續(xù)式還需要冷卻設(shè)備。

高速風(fēng)洞的一般構(gòu)造及存在的問(wèn)題

除了前面介紹的“噴管”即第一喉道造成各種M數(shù)外，在超音速風(fēng)洞中還有擴(kuò)壓段也叫第二喉道，實(shí)驗(yàn)段的超音速氣流必須經(jīng)過(guò)一道激波才能慢慢降到亞音速，氣流經(jīng)過(guò)激波所產(chǎn)生的損失是風(fēng)洞總的損失之一部分，因此，波的強(qiáng)度越大風(fēng)洞的損失越大。所以，實(shí)驗(yàn)段的M數(shù)越大越應(yīng)該想辦法把氣流壓縮一下，使它的M數(shù)降低后，才能變到亞音速去。

現(xiàn)在將連續(xù)式風(fēng)洞簡(jiǎn)單構(gòu)造原理用簡(jiǎn)圖表示如下：

第一喉道與第二喉道的作用，圖中均明顯的說(shuō)明。下面專門(mén)把高速風(fēng)洞的主要問(wèn)題較詳細(xì)的談?wù)劊?/p>

(1)功率：高速風(fēng)洞比低速風(fēng)洞所需的馬力大得多。一般不采用持續(xù)式而是采用暫沖式，即借壓氣機(jī)向儲(chǔ)氣罐內(nèi)充氣，然后，被沖入之氣體借助快速活門(mén)向風(fēng)洞內(nèi)放氣，吹風(fēng)時(shí)間因不同風(fēng)洞而不同，從幾秒到幾分鐘。

(2)噴管形狀：在亞音速時(shí)，改變實(shí)驗(yàn)速度是增加供給風(fēng)扇的馬力，但在超音速氣流改變M是利用不同噴管形狀即改變實(shí)驗(yàn)段與喉部的面積比，一般采用兩種辦法：固定式和可變式(下圖)。

固定式

對(duì)噴管要求是：氣流的M數(shù)到達(dá)實(shí)驗(yàn)段時(shí)是均勻平直的，而且噴管不應(yīng)太長(zhǎng)，因此，對(duì)噴管的加工要求是很嚴(yán)格的，其內(nèi)形都用刮刀刮出。

(3)第二喉道形狀：為了減少風(fēng)洞的損失，如果實(shí)驗(yàn)段的M>1，應(yīng)該加一段超音速擴(kuò)壓段，這樣的擴(kuò)壓段的喉部是用理論公式來(lái)決定(這里不介紹)，但其形式有固定式和可變式。

(4)氣流冷凝問(wèn)題：超音速風(fēng)洞，特別是高超音速風(fēng)洞中很重要的問(wèn)題是如何保證氣流不凝結(jié)，因?yàn)橛兴羝目諝?，在噴管中等熵地膨脹時(shí)，由于溫度的下降，氣流很快達(dá)到飽和狀況，繼續(xù)膨脹的氣體達(dá)到臨界飽和狀況后，水蒸汽會(huì)突然地凝結(jié)，水蒸汽凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生熱能，所以這時(shí)靜壓是增大的，結(jié)果是M數(shù)下降了，這種現(xiàn)象叫“凝結(jié)波”，由于“凝結(jié)波”的出現(xiàn)直接地影響試驗(yàn)段的氣流，所以影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

因此，超音速風(fēng)洞一般采用以下辦法來(lái)防止凝結(jié)出現(xiàn)：①用干燥的空氣：由矽膠將風(fēng)洞所用的空氣的水分吸出來(lái)，使其達(dá)到干燥程度。

固定式

活動(dòng)式

②提高駐點(diǎn)溫度：將穩(wěn)定段的空氣加熱，隨M數(shù)的增加時(shí)，預(yù)熱溫度越高。

高速風(fēng)洞的試驗(yàn)裝置及儀器

一般高速風(fēng)洞用來(lái)測(cè)量的儀器設(shè)備有：

(1)天平及支架：測(cè)量力及力矩的裝置，支持模型應(yīng)用支架，有的將天平裝在風(fēng)洞內(nèi)部，有的則裝在外部。

(2)紋影儀及干涉儀：流動(dòng)氣體由于膨脹及壓縮光的密度不同，可以用此種儀器照像，對(duì)讀數(shù)分析。

(3)溫度儀：利用熱敏電阻或熱電偶為感受部分，可以測(cè)量氣流的滯止溫度。

(4)壓力計(jì)：水銀多管壓力計(jì)，另外用膜盒感受壓力，適于量迅速起伏的壓強(qiáng)。

(5)馬赫表：利用膜盒把總壓靜壓之比表示出來(lái)。

(6)測(cè)向器：測(cè)量流場(chǎng)氣流方向的，其種類很多。

(7)示波器：可以通過(guò)電阻絲的變化，從示波器上讀數(shù)。

以上是主要的測(cè)量?jī)x器，根據(jù)風(fēng)洞及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同，還有不同的裝置及儀器，但是由于超音速氣流有激波產(chǎn)生，因此，設(shè)計(jì)的儀器裝置均應(yīng)考慮激波的發(fā)生、反射、和干擾現(xiàn)象，否則影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

其他風(fēng)洞還有附屬設(shè)備很多，這里提出一些：

(1)加熱器：加熱可以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以穩(wěn)定氣流的雷諾數(shù)，還可以消除冷凝。

(2)干燥器：除了加熱器以外，干燥器也是常用的設(shè)備，一般用矽膠或氧化鉛之類的晶體作為吸水干燥劑。

(3)冷卻器：對(duì)連續(xù)式風(fēng)洞使用，而對(duì)暫沖式則不使用。

(4)調(diào)壓閥：為了使氣流恒定，必須用調(diào)壓閥保持安定段壓力恒定。

高速風(fēng)洞及其他高速實(shí)驗(yàn)設(shè)備的未來(lái)發(fā)展

高速風(fēng)洞在目前搞尖端航空科學(xué)中是大力發(fā)展的對(duì)象，跨音速風(fēng)洞、超音速風(fēng)洞、高超音速風(fēng)洞都在大力發(fā)展中。高溫風(fēng)洞更為需要，因?yàn)楦咚亠w行的熱障問(wèn)題急待研究。除風(fēng)洞外，對(duì)航空器的試驗(yàn)，還有如下方法：

(1)產(chǎn)生高超音速氣流的最經(jīng)濟(jì)的裝置是激波管，激波管構(gòu)造簡(jiǎn)單，由兩個(gè)被隔板隔離開(kāi)的室組成，兩個(gè)室內(nèi)充滿加速氣體和受壓氣體，激波管中的溫度達(dá)到11000℃，因此，這種風(fēng)洞特別適用于研究熱傳導(dǎo)。

(2)目前，有的準(zhǔn)備建立的風(fēng)洞，其作用原理是磁性流體動(dòng)力學(xué)。

(3)自由飛行風(fēng)洞：作氣動(dòng)力模型試驗(yàn)時(shí)，可以采用兩類不同的方法來(lái)獲得相對(duì)氣流，一是利用風(fēng)洞或激波管產(chǎn)生高速氣流，一是加速模型使它獲得所需速度，在自由飛行風(fēng)洞內(nèi)，兼用了上述兩類方法，用高速炮將模型射入風(fēng)洞的高速迎面氣流內(nèi)，這時(shí)風(fēng)洞內(nèi)氣流速度雖較低，但可獲得很高的試驗(yàn)速度及較好的模擬條件。

(4)火箭發(fā)射模型；用特殊記錄機(jī)構(gòu)，來(lái)進(jìn)行測(cè)量。